Les observables pour les plasmas

Auteur: Ronan Modolo

Quelles sont les quantités à mesurer ?

L'étude des plasmas nécessite d'avoir accès aux informations caractérisant le champ électromagnétique et les particules chargées dans la région considérée. Ces informations peuvent être obtenues à l'aide de différentes mesures et leurs instrumentations spécifiques. Comme nous l'avons montré en préambule, la diversité des plasmas est telle que des paramètres comme la densité ou la température varient sur plusieurs ordres de grandeurs. Il n'est de ce fait pas possible avec un unique instrument de couvrir l'ensemble des valeurs possibles.

Pour caractériser les environnements planétaires ionisés, il est nécessaire de décrire/caractériser les quantités suivantes :

Les champs électrique et magnétique, ce sont des paramètres essentiels à mesurer. Les champs électrique et magnétique interviennent dans la dynamique des particules chargées via la force de Lorentz $\mathbf{F} = q \left( \mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B} \right)$ . Une description de l'effet du champ électromagnétique sur une particule chargée est décrit sur le site suivant Ils sont également nécessaires pour caractériser les ondes dans les plasmas. Un exemple de propagation d'onde (caractéristique à la physique des plasmas) faisant intervenir le champ magnétique se trouve au lien suivant NB : L'interprétation des résultats de l'appliquette requiert une assimiliation des concepts de physique plasmas (niveau M1) .
Le flux, l'énergie. Ces informations contribuent à l'étude de la dynamique du plasma dans la région explorée. Ces deux informations sont des mesures quasi-directes obtenues à partir des différents senseurs. Le flux (des particules) consiste à déterminer le nombre de particules qui traversent une unité de surface par unité de temps, cela diffère du flux (magnétique) que nous avons introduit dans un chapitre suivant. L'énergie est directement liée à la vitesse des particules (la vitesse dirigée et la vitesse thermique, i.e. la vitesse liée à l'agitation thermique)
Fonction de distribution et moments. Pour un plasma constitué d'électrons et de différents types d'ions, il est nécessaire de définir la densité pour chacune des espèces et on utilise pour cela une approche statistique. Il est commode de représenter le comportement du plasma par une fonction de distribution $f_s(\mathbf{r};\mathbf{v};t)$ dont l'évolution (en temps et en espace) caractérisera la dynamique de chaque espèce du plasma. La température des particules de l'espèce considérée est directement proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne liée au mouvement aléatoire des particules. A l'équilibre thermique la fonction de distribution de vitesses des particules (de l'espèce considérée) est donnée par une distribution de vitesses de Maxwell-Boltzmann (appelé Maxwellienne, comme pour les gaz neutres). Dans un grand nombre de cas l'analyse et l'interprétation des mesures plasmas requièrent la connaissance des moments de la fonction de distribution (la densité est le pemier moment de la fonction de distribution). Ainsi l'intégration sur l'espace des vitesses de la fonction de distribution permet d'obtenir la densité de l'espèce considérée $n_s(\mathbf{r};t) = \int \!\!\! \int \!\!\! \int f_s(\mathbf{r};\mathbf{v};t)\, d^3\mathbf{v}$ . Il s'agit du moment d'ordre 0. Le moment d'ordre un donnera accès au flux $n_s \mathbf{V} = \int \!\!\! \int \!\!\! \int f_s(\mathbf{r};\mathbf{v},t)\,\mathbf{v}\;d^3\mathbf{v}$ . Et ainsi de suite ...
La composition ionique. La mesure de composition (et charge) du plasma est importante car elle donne une information sur l'origine (la source) du plasma. Il est ainsi possible de différencier les populations d'origine solaire (par exemple les du vent solaire) et les ions d'origine ionosphérique (issus directement ou indirectement de l'ionisation partielle de l'atmosphère de la planète). Par ailleurs la composition a un impact direct sur la densité de masse du plasma. Ainsi même une faible abondance d'un ion lourd à une influence significative sur la densité de masse du plasma.

Nous nous limiterons à l'étude des plasmas naturels rencontrés dans le système solaire. Malgré ces considérations, aucun instrument ne peut couvrir ces larges gammes de densité, énergie, ... il existe donc de nombreux instruments qui permettent d'obtenir des mesures/observations sur une échelle de valeurs restreintes. Nous présentons uniquement un échantillon des possibles instruments embarqués sur les missions spatiales à titre d'illustration.